Пенное фракционирование
Фракционирование пены — это химический процесс , при котором гидрофобные молекулы от преимущественно отделяются жидкого раствора с помощью поднимающихся столбов пены . Его обычно используют, хотя и в небольших масштабах, для удаления органических отходов из аквариумов ; эти устройства известны как « протеиновые скиммеры ». Однако он имеет гораздо более широкое применение в химической промышленности и может использоваться для удаления поверхностно-активных примесей из потоков сточных вод в дополнение к обогащению биопродуктов.
История
[ редактировать ]Хотя протеиновые скиммеры были обычным явлением в аквариумах на протяжении многих лет, только в 1960-х годах Роберт Лемлих из Университета Цинциннати предпринял согласованные усилия. [ 1 ] [ 2 ] охарактеризовать модель процессов адсорбционного разделения пузырьков, одним из примеров которых является фракционирование пены. До середины 2000-х годов дальнейшее развитие пенного фракционирования или попыток понять основную физику процесса было очень незначительным. Многие исследователи были удовлетворены эмпирическими описаниями конкретных систем, а не попытками механистической модели процесса, и, возможно, именно по этой причине внедрение технологии шло медленно, несмотря на ее огромный потенциал.
Фракционирование пены тесно связано с родственным процессом пенной флотации , при котором гидрофобные частицы прикрепляются к поверхности пузырьков, которые поднимаются и образуют пневматическую (т.е. поднимающуюся) пену. Таким способом можно отделить относительно гидрофобные частицы от относительно гидрофильных частиц. Пенная флотация обычно используется для отделения частиц угля от золы или частиц ценных минералов от пустой породы. Именно исследование пенной фазы пенной флотации, проведенное в Университете Ньюкасла, Австралия , в частности, по прогнозированию жидкой фракции и потока жидкости в пневматической пене, позволило предварительно механистически описать фракционирование пены. [ 3 ] Взаимодействие между пенным фракционированием и пенной флотацией было исследовано в специальном выпуске Азиатско -Тихоокеанского журнала химической инженерии за 2009 год .
Рекомендации по проектированию
[ редактировать ]Роберт Лемлих показал, как колонны пенного фракционирования могут работать в отпарном, обогащающем или комбинированном режимах (в зависимости от того, подается ли сырье в верхнюю, нижнюю или среднюю часть колонны), а также могут работать с внешним потоком флегмы или без него при верх колонны. Полезно представить этот процесс как аналог газожидкостной абсорбционной колонны. Различия заключаются в том, что:
- Молекулы-мишени адсорбируются на поверхности, а не поглощаются, переходя в объем одной фазы из другой, и
- Пена самопроизвольно обеспечивает набивку внутри колонны.
Как и при газожидкостной абсорбции, использование флегмы в верхней части колонны может вызвать несколько стадий равновесия внутри колонны. Однако, если можно контролировать скорость, с которой размер пузырьков изменяется с высотой в колонке, либо путем слияния, либо за счет созревания Оствальда , можно создать внутренний источник рефлюкса внутри колонки.
Как и во многих химических процессах, существуют конкурирующие соображения по извлечению (т.е. процентному содержанию целевого поверхностно-активного вещества, которое попадает в верхний поток пенообразователя) и обогащению (т.е. отношению концентрации поверхностно-активного вещества в пенообразователе к концентрации в сырье). Грубый метод перемещения по спектру обогащения-извлечения состоит в контроле скорости газа в колонне. Более высокий расход газа будет означать более высокую степень извлечения, но более низкое обогащение.
Фракционирование пены происходит по двум механизмам:
- Молекула-мишень адсорбируется на поверхности пузырька и
- Пузырьки образуют пену, которая поднимается вверх по колонне и выбрасывается в поток пены фракционирования пены.
Скорость, с которой определенные неионные молекулы могут адсорбироваться на поверхности пузырьков, можно оценить путем решения уравнения Уорда-Тордаи. [ 4 ] Обогащение и извлечение зависят от гидродинамического состояния поднимающейся пены, которая представляет собой сложную систему, зависящую от распределения пузырьков по размерам, напряженного состояния на границе раздела газ-жидкость, скорости слияния пузырьков, скорости газа, среди прочего . Гидродинамическое состояние описывается гидродинамической теорией поднимающейся пены. [ 5 ]
Приложения
[ редактировать ]- Обогащение растворов биомолекул в фармацевтических и пищевых технологиях.
- Очистка поверхностно-активных загрязнений из потоков сточных вод.
- Удаление не поверхностно-активных загрязнений из потоков сточных вод (например, ионов металлов) с помощью одного или нескольких вспомогательных поверхностно-активных веществ.
- Удаление пенообразователя после операций пенной флотации (так называемое удаление пенообразователя).
Примечания
[ редактировать ]- ^ Лемлих Р., Лави Э. 1961 Фракционирование пены с обратным холодильником, Science 134 , стр.191
- ^ Лемлих Р. 1968 Методы адсорбционного пузырькового разделения: фракционирование пены и родственные методы, Промышленная и инженерная химия 60 стр.16
- ^ Стивенсон П., Джеймсон Г.Дж., 2007. Моделирование непрерывного пенного фракционирования с обратным холодильником, Химическая инженерия и обработка 39 , стр.590
- ^ Уорд АФХ и Тордай Л. 1946. Зависимость граничного натяжения растворов от времени I. роль диффузии во временных эффектах, Журнал химической физики 14 , стр.453
- ^ Стивенсон П. 2007 Гидродинамическая теория поднимающейся пены, Minerals Engineering 20 , стр.282